KR20110043338A - Apparatus and method for detecting signal in spatial multiplexing system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 공간다중화 시스템에서 신호검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공간다중화 방식을 이용하여 전송된 다수의 상이한 데이터 스트림을 복수의 안테나를 갖는 단일 수신부에서 수신하는 경우에 복잡도는 낮추면서 오류 성능 차이가 크게 발생하지 않는 신호검출 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for detecting a signal in a spatial multiplexing system. More particularly, the present invention relates to a signal detecting apparatus and a method of receiving a plurality of antennas in a single receiver having a plurality of antennas. The present invention relates to a signal detection apparatus and a method in which error performance difference does not significantly occur.
무선통신 시스템에 있어서 스펙트럼 효율성과 전송속도의 극대화를 위해 MIMO(Multi Input Multi Output) 기술을 시스템에 적용하는 노력이 계속되고 있다. 최근 들어 이론만으로 언급되었던 MIMO 기술들이 실제 시스템에 적용되어 시스템 성능을 개선하는 사례가 많아지고 있다. MIMO 기술은 최근 상용화된 IEEE 802.16e mobile-WiMAX 시스템에 채택되었으며, 4G 기술로 대표되는 LTE 시스템, IEEE 802.16m 시스템에도 채택되었다. 그러나 MIMO 기술은 송신기의 안테나가 다중으로 구성되어 있어야 하고 전송 전력이 작은 경우 적용하기가 어렵기 때문에 이동단말의 상향링크에 MIMO 기술을 사용하기 힘들었다. Efforts are being made to apply MIMO (Multi Input Multi Output) technology to the system to maximize spectrum efficiency and transmission speed in wireless communication systems. Recently, MIMO techniques, which are only mentioned by theory, have been applied to real systems, and there are many cases of improving system performance. MIMO technology has been adopted in the recently commercialized IEEE 802.16e mobile-WiMAX system, LTE system represented by 4G technology, IEEE 802.16m system. However, it is difficult to use MIMO technology in the uplink of a mobile terminal because MIMO technology has multiple transmitter antennas and is difficult to apply when the transmission power is small.
최근에는 MIMO 전송 방식을 응용하여 하나의 안테나 또는 두 개의 안테나를 갖는 다수의 송신기를 하나의 송신기가 다중 안테나를 사용하는 것처럼 동작하게 하여 MIMO 효과를 얻는 협력적 공간다중화 방식이 WiMAX와 LTE, IEEE 802.16m의 상향링크에 채택되었다. Recently, a cooperative spatial multiplexing scheme that achieves MIMO effect by operating multiple transmitters having one antenna or two antennas as if one transmitter uses multiple antennas by applying the MIMO transmission scheme is WiMAX, LTE, and IEEE 802.16. Adopted for uplink of m.
협력적 공간다중화(Collaborative Spatial Multiplexing: CSM)는 다중사용자의 상향링크 시스템에서 복수의 단말기가 각각 하나 이상의 송신 안테나를 갖는 경우에 같은 주파수자원을 할당 받아 동시에 데이터를 전송하는 기법이다. Collaborative Spatial Multiplexing (CSM) is a technique for transmitting data simultaneously by allocating the same frequency resource when a plurality of terminals each have one or more transmitting antennas in a multi-user uplink system.
협력적 공간다중화 방식의 장점으로는 시스템의 전송효율을 향상시키면서, MIMO 단말기 대비 안테나 수를 줄일 수 있으므로 복잡도를 낮추어 단말 제조비용을 줄일 수 있다. 또한, 다중사용자 MIMO 시스템의 상향링크에서 협력적 공간다중화 방식을 사용하는 경우 사용자 별로 독립적인 MCS (modulation and coding scheme) 레벨을 가지므로 사용자의 채널 상태와 QoS(Quality of Service)를 고려하여 적절한 적응변조 및 부호화 (AMC; adaptive modulation and channel coding)가 이루어진다. 이와 같은 과정을 통해 사용자간 유사한 오류 성능을 보장하게 된다. An advantage of the cooperative spatial multiplexing scheme is that the number of antennas can be reduced compared to MIMO terminals while improving the transmission efficiency of the system, thereby reducing the complexity and reducing the manufacturing cost of the terminals. In addition, when a cooperative spatial multiplexing scheme is used in an uplink of a multi-user MIMO system, each user has an independent modulation and coding scheme (MCS) level. Modulation and coding (AMC) is performed. Through this process, similar error performance is guaranteed between users.
이와 같이 다중사용자 시스템에서 협력적 공간다중화 방식은 다수의 사용자의 데이터 스트림을 동일한 자원에 전송함으로써 전송효율을 높일 수 있으나, 기지국의 각 수신 안테나마다 모든 다중사용자의 송신 신호가 합해져서 수신되므로, 기지국에서 공간다중화된 신호를 분리하는 작업이 필수적이다. As described above, in the multi-user system, the cooperative spatial multiplexing method can increase the transmission efficiency by transmitting data streams of a plurality of users to the same resource. Separating the spatially multiplexed signal is essential.
협력적 공간다중화 방식은 다수의 송신기를 마치 하나의 송신기가 다중 안테나를 사용하는 것처럼 동작하므로 기존의 공간다중화 MIMO 시스템의 신호검출 기법을 고려할 수 있다. 공간다중화 방식을 이용한 MIMO 시스템 수신부의 신호검출 기 법에는 선형 신호검출 기법, 비선형 신호검출 기법, 준최적 신호검출 기법, 최적 신호검출 기법으로 분류할 수 있다. Since the cooperative spatial multiplexing method operates multiple transmitters as if one transmitter uses multiple antennas, the signal detection technique of the existing spatial multiplexing MIMO system can be considered. Signal detection techniques of the MIMO system receiver using spatial multiplexing can be classified into linear signal detection, nonlinear signal detection, sub-optimal signal detection, and optimal signal detection.
선형 신호검출 기법에 속하는 ZF(Zero-Forcing), MMSE(Minimum Mean Square Error) 신호검출 기법은 연산복잡도가 낮아 비교적 간단한 구조로 구현이 가능하지만, 최적 신호검출 기법의 성능에 비해 크게 열화된 성능을 보인다. 비선형 신호검출 기법인 OSIC(Ordered Successive Interference Cancellation) 계열의 신호검출 기법은 미리 정해진 검출 순서에 따라 순차적으로 검출된 신호를 제거하여 간섭 신호의 영향을 줄이는 기법이다. Zero-Forcing (ZF) and Minimum Mean Square Error (MMSE) signal detection methods, which belong to the linear signal detection method, can be implemented in a relatively simple structure due to their low computational complexity, but have significantly degraded performance compared to that of the optimal signal detection method. see. The OSIC (Ordered Successive Interference Cancellation) signal detection technique, which is a nonlinear signal detection technique, is a technique for reducing the influence of an interference signal by sequentially removing signals detected according to a predetermined detection order.
OSIC 계열의 신호검출 기법은 선형 신호검출 기법에 비해 연산복잡도가 크지만, 선형 신호검출 기법에 비해 높은 성능을 보인다. 그러나 가장 최적의 성능을 보이는 최적 신호검출 기법에 비해 크게 열화된 성능을 보인다. 최적의 성능을 보이는 ML(Maximum Likelihood) 신호검출 기법은 송신 가능한 신호의 후보 벡터 값을 모두 대입하여 자승 유클리디언 거리를 연산 및 비교를 통해 최소 자승 유클리디언 거리를 선택하여 신호를 검출하는 방식이다. 그러므로 송신된 데이터 스트림의 수와 변조 차수가 높아짐에 따라 연산복잡도가 지수적으로 증가하여, 매우 높은 연산복잡도를 가진다. ML 신호검출 기법의 높은 연산복잡도를 줄이면서 최적의 성능과 유사한 성능을 가지는 신호검출 기법으로는 QRM-MLD(maximum likelihood detection with QR decomposition, SD(sphere decoding)) 등이 있다. SD 기법은 한정된 거리 안에 존재하는 성상도의 심볼을 대입하여 자승 유클리디언 거리를 연산하는 방식으로 ML 기법에 비해 평균적인 복잡도는 현저히 낮출 수 있지만 깊이 우선탐색 방식 이므로 최대 복잡도를 예측할 수 없어 실제 구현에는 어려움이 있다. The OSIC signal detection technique has more computational complexity than the linear signal detection technique, but shows higher performance than the linear signal detection technique. However, the performance is significantly degraded compared to the optimal signal detection technique that shows the best performance. The maximum likelihood (ML) signal detection method that shows the best performance detects the signal by selecting the least square Euclidean distance by calculating and comparing the squared Euclidean distance by substituting all candidate vector values of the transmittable signal. to be. Therefore, as the number of transmitted data streams and the modulation order increase, the computational complexity increases exponentially, and has a very high computational complexity. The signal detection technique which has high performance complexity similar to the optimal performance while reducing the high computational complexity of the ML signal detection technique includes QRM-MLD (maximum likelihood detection with QR decomposition, sphere decoding). The SD method calculates the squared Euclidean distance by substituting the symbols of constellations within a limited distance, and the average complexity can be significantly lower than the ML method. However, since the depth-first search method, the maximum complexity cannot be predicted. There is a difficulty.
QRM-MLD는 SD와는 달리 최대 복잡도가 고정되어 있는 너비 우선 탐색 방식이다. 충분한 후보 벡터 개수를 가질 경우 ML 신호검출 기법과 거의 동일한 성능을 보이나 후보 벡터가 적을 경우 성능의 저하가 크게 나타난다. QSD-MLD, unlike SD, is a breadth-first search method with a fixed maximum complexity. When the number of candidate vectors is sufficient, the performance is almost the same as that of the ML signal detection technique, but when the number of candidate vectors is small, the performance decreases significantly.
상기에서 살펴본 기존 신호검출 기법 중 OSIC 계열의 비선형 검출 기법과 QRM-MLD, SD와 같은 준최적 신호검출 기법의 경우 신호검출 과정에서 오류 전파문제 발생, 대입 심볼의 제한, 또는 심볼 후보 벡터의 제한으로 데이터 스트림간 성능 차이가 발생한다. OSIC 계열의 신호검출 기법의 경우 순차적으로 신호를 검출하는 과정에서 이전에 검출된 심볼이 잘못 검출될 경우 오류 전파 문제가 발생한다. 그러므로 데이터 스트림간 신호검출 성능에 차이가 발생한다. 또한 SD와 QRM-MLD의 경우에는 신호를 검출하는 과정에서 데이터 스트림에 대하여 송신 가능한 심볼을 제한하여 대입하고, 후보 심볼만을 이용하여 자승 유클리디언 거리를 생성한다. 그러므로 OSIC 기법과 같이 SD와 QRM-MLD의 경우에도 데이터 스트림간 신호검출 성능에 차이가 발생한다. 이와 같은 현상을 발생시키는 신호검출 기법은 협력적 공간다중화 방식에 적용하기에 부적합하다. 상기에서 설명하였듯이 협력적 공간다중화 방식을 사용하는 다중사용자 MIMO 시스템의 상향링크에서는 사용자의 채널 환경과 QoS를 고려하여 각 사용자의 오류 성능을 유사하도록 설정하게 되는데, 데이터 스트림간 신호검출 성능에 큰 차이를 발생시키는 기존 신호검출 기법을 사용한다면 기존의 MCS 레벨의 설정이 쓸모없게 된다. 그러므로 신호검출 과정에서 오류 전파 문제, 신호검출 알고리즘상의 제약에 의해 데이터 스트림간의 오류 성능에 영향을 미치는 기존 OSIC계열의 비선형 검출기법, QRM-MLD, SD 등의 준최적 신호검출 기법은 협력적 공간다중화 방식을 사용하는 다중사용자 MIMO 시스템에 적합하지 않다.Among the existing signal detection methods described above, the non-linear detection method of the OSIC series and the suboptimal signal detection methods such as QRM-MLD and SD may cause error propagation problems, restriction of substitution symbols, or limitation of symbol candidate vectors in the signal detection process. Performance differences occur between data streams. In the case of the signal detection technique of the OSIC series, an error propagation problem occurs when a previously detected symbol is incorrectly detected in the process of sequentially detecting signals. Therefore, there is a difference in signal detection performance between data streams. In the case of SD and QRM-MLD, a symbol that can be transmitted is limited to a data stream in the process of detecting a signal, and a square Euclidean distance is generated using only candidate symbols. Therefore, in the case of SD and QRM-MLD as in the OSIC method, there is a difference in signal detection performance between data streams. The signal detection technique that generates such a phenomenon is not suitable for applying to cooperative spatial multiplexing. As described above, in the uplink of a multi-user MIMO system using a cooperative spatial multiplexing scheme, the error performance of each user is set to be similar in consideration of the user's channel environment and QoS, and a large difference in signal detection performance between data streams is obtained. If you use the existing signal detection technique that generates, the setting of the existing MCS level becomes useless. Therefore, in the signal detection process, the suboptimal signal detection techniques such as QRM-MLD, SD, and non-linear detector methods that affect the error performance between data streams due to the error propagation problem and the constraints of the signal detection algorithm are collaborative space multiplexing. It is not suitable for multi-user MIMO systems using the scheme.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 복수의 안테나를 갖는 단일 송신부 또는 적어도 하나의 안테나를 구비한 복수의 송신부에서 데이터 스트림을 공간다중화 방식을 통해 전송하는 경우, 복수의 안테나를 구비하고 있는 수신부에서 데이터 스트림의 신호검출 시 오류 성능 차이가 크게 발생하지 않는 공간다중화 시스템에서 신호검출 장치 및 방법을 제안하고자 한다. In order to solve the above problems of the prior art, the present invention provides a plurality of antennas when a data stream is transmitted through a spatial multiplexing scheme in a single transmitter having a plurality of antennas or a plurality of transmitters having at least one antenna. The present invention proposes a signal detection apparatus and method in a spatial multiplexing system in which a error performance difference does not significantly occur when a signal of a data stream is detected by a receiving unit having a signal receiver.
본 발명의 다른 목적은 복잡도가 크지 않으면서 경판정(hard decision) 또는 연판정(soft decision) 시 최적 신호검출 기법인 ML 신호검출 기법과 유사한 성능을 보이는 공간다중화 시스템에서 신호검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for detecting a signal in a spatial multiplexing system having a similar performance to that of the ML signal detection technique, which is an optimal signal detection technique in a hard decision or a soft decision, without having a large complexity. It is.
본 발명의 또 다른 목적은 상이한 데이터 스트림간 오류 성능이 유사한 공간다중화 시스템에서 신호검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide an apparatus and method for detecting signals in a spatial multiplexing system having similar error performance between different data streams.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 적어도 하나의 송신부가 공간다중화 방식으로 데이터 스트림을 전송하는 시스템에서 복수의 안테나를 구비한 단일 수신부의 신호검출 장치로서, 상기 적어도 하나의 송신부와 상기 단일 수신부 사이에 형성된 채널 행렬에서 미리 설정된 알고리즘을 이용하여 선형 가중치 행렬을 생성하는 부분 선형 계수 생성부; 수신된 전체 데이터 스트림에서 각 송신 안테나의 송신 가능한 모든 심볼을 제거하여 제1 심볼 벡터를 생성하는 부분 심볼 제거부; 및 상기 생성된 선형 가중치 행렬과 상기 제1 심볼 벡터 를 이용하여 송신 심볼 후보 벡터를 생성하는 부분 심볼 검출부를 포함하는 신호검출 장치가 제공된다. According to a preferred embodiment of the present invention to achieve the above object, a signal detection device of a single receiver having a plurality of antennas in a system in which at least one transmitter transmits a data stream in a spatial multiplexing scheme, the at least one A partial linear coefficient generator for generating a linear weight matrix using a predetermined algorithm in a channel matrix formed between the transmitter and the single receiver; A partial symbol remover configured to remove all transmittable symbols of each transmit antenna from the received total data streams to generate a first symbol vector; And a partial symbol detector configured to generate a transmission symbol candidate vector using the generated linear weight matrix and the first symbol vector.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 적어도 하나의 송신부가 공간다중화 방식으로 데이터 스트림을 전송하는 시스템에서 복수의 안테나를 구비한 단일 수신부의 신호검출 장치로서, According to another aspect of the present invention, a signal detection device of a single receiver having a plurality of antennas in a system in which at least one transmitter transmits a data stream in a spatial multiplexing scheme,
수신된 전체 데이터 스트림에서 각 송신 안테나의 송신 가능한 모든 심볼을 제거된 심볼 벡터를 생성하는 부분 심볼 제거부를 포함하되, 상기 부분 심볼 제거부는 i번째 송신 안테나의 송신 가능한 심볼을 선택하고, 상기 선택된 심볼을 상기 채널 행렬 중 상기 i번째 송신 안테나에 상응하는 열행렬과 곱한 후 상기 전체 데이터 스트림에서 상기 곱한 값을 제거하여 상기 심볼 벡터를 생성하는 신호검출 장치가 제공된다. And a partial symbol remover for generating a symbol vector from which all transmittable symbols of each transmit antenna are removed from the entire received data stream, wherein the partial symbol remover selects a transmittable symbol of an i th transmit antenna and selects the selected symbol. Provided is a signal detection apparatus for generating the symbol vector by multiplying a column matrix corresponding to the i < th > transmit antenna of the channel matrix and then removing the multiplied value from the entire data stream.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 적어도 하나의 송신부가 공간다중화 방식으로 데이터 스트림을 전송하는 시스템에서 복수의 안테나를 구비한 단일 수신부가 신호를 검출하는 방법으로서, (a) 상기 적어도 하나의 송신부와 상기 단일 수신부 사이에 형성된 채널 행렬에서 미리 설정된 알고리즘을 이용하여 선형 가중치 행렬을 생성하는 단계; (b) 수신된 전체 데이터 스트림에서 각 송신 안테나의 송신 가능한 모든 심볼을 제거하여 제1 심볼 벡터를 생성하는 단계; (c) 상기 생성된 선형 가중치 행렬과 상기 제1 심볼 벡터를 이용하여 송신 심볼 후보 벡터를 생성하는 단계; 및 (d) 상기 생성된 송신 심볼 후보 벡터를 이용하여 자승 유클리디언 거리를 연산하는 단계를 포함하는 신호검출 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a method in which a single receiver having a plurality of antennas detects a signal in a system in which at least one transmitter transmits a data stream in a spatial multiplexing scheme, the method comprising: (a) at least one transmitter and Generating a linear weight matrix using a preset algorithm in a channel matrix formed between the single receivers; (b) generating a first symbol vector by removing all transmittable symbols of each transmit antenna from the received total data stream; (c) generating a transmission symbol candidate vector using the generated linear weight matrix and the first symbol vector; And (d) calculating a square Euclidean distance using the generated transmission symbol candidate vector.
본 발명에 따르면, 부분 심볼 제거부에서 모든 데이터 스트림에 대해 한 번씩 부분 심볼 제거 과정을 적용하고, 부분 심볼 검출부를 각 데이터 스트림에 대해 적용함으로써 모든 데이터 스트림간 오류 성능의 차이가 유사하다는 장점이 있다.According to the present invention, the partial symbol elimination unit applies the partial symbol elimination process once for all data streams and the partial symbol detection unit for each data stream has the advantage that the error performance difference between all data streams is similar. .
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate a thorough understanding of the present invention, the same reference numerals are used for the same means regardless of the number of the drawings.
본 발명은 복수의 안테나를 구비한 단일 송신부 또는 적어도 하나의 안테나를 구비한 복수의 송신부(예를 들어, 단말기)의 총 안테나 수가 M개이고 공간다중화 방식으로 데이터 스트림을 전송하는 시스템에서 안테나 수가 N개인 단일 수신부(예를 들어, 기지국)가 최적의 방식으로 신호를 검출할 수 있는 방법을 제공한다. According to the present invention, the total number of antennas of a single transmitter having a plurality of antennas or a plurality of transmitters (for example, a terminal) having at least one antenna is M and the number of antennas is N in a system for transmitting a data stream by spatial multiplexing. It provides a method by which a single receiver (e.g., base station) can detect a signal in an optimal manner.
특히, 본 발명은 다중사용자의 상향링크 시스템에서 복수의 단말기가 각각 하나 이상의 송신 안테나를 갖는 경우에 같은 주파수자원을 할당 받아 동시에 데이터를 전송하는 다중사용자의 협력적 공간다중화(Collaborative Spatial Multiplexing: CSM) 상향링크 시스템에서의 신호 검출에 적용될 수 있으며, 하기에서는 협력적 공간다중화 상향링크 시스템에서의 신호검출을 중심으로 설명한다. Particularly, in the multi-user uplink system, multi-user collaborative spatial multiplexing (CSM) for simultaneously transmitting data by allocating the same frequency resource when a plurality of terminals have one or more transmit antennas is used. The present invention can be applied to signal detection in an uplink system. Hereinafter, signal detection in a cooperative spatial multiplexing uplink system will be described.
협력적 공간다중화 시스템은 일반 MIMO 시스템에 관한 M개의 안테나를 가진 하나의 송신부 및 N개의 안테나를 가진 하나의 수신부를 포함하는 시스템과 수학적으로 동일한 표현이 가능하다. The cooperative spatial multiplexing system can express mathematically the same as a system including one transmitter having M antennas and one receiver having N antennas for a general MIMO system.
하기에서는 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명이 적용되는 시스템 및 종래의 신호검출 기법에 대해 우선적으로 살펴본다. Hereinafter, a system and a conventional signal detection technique to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
도 1은 일반적인 MIMO 시스템의 송수신단 블록도이다. 1 is a block diagram of a transmitting and receiving end of a general MIMO system.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 MIMO 시스템의 송신부는 채널 부호기(100), 인터리버(102), 공간다중화기(104) 및 복수의 안테나(106)를 포함할 수 있으며, 수신부는 복수의 안테나(110), 신호검출기(112), 디인터리버(114) 및 채널 복호기(116)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 1, a transmitter of a general MIMO system may include a
전송되는 데이터 스트림은 채널 부호기(100) 및 인터리버(102)를 거친 후, 공간다중화기(104)를 통해 서로 다른 값의 심볼(symbol)이 각 안테나(106)를 통해 전송된다. The transmitted data stream passes through the
한편, 수신부의 각 안테나(110)는 서로 다른 채널환경을 거친 무선신호를 수신한다. 상기와 같이 수신된 신호는 서로 다른 채널환경을 거친 다중 신호이며, 이는 채널추정을 거친 후 신호검출기(112)를 통해 분리된다. On the other hand, each
신호검출 시, 경판정을 이용하는 경우에는 검출된 심볼의 복조를 통해 각 심볼의 비트를 검출하며, 연판정인 경우에는 검출된 심볼의 비트 LLR(Log-Likelihood Ratio) 정보가 디인터리버(114)와 채널 복호기(116)를 거쳐 경판정된 심볼의 비트로 검출된다. In the case of signal detection, if a hard decision is used, bits of each symbol are detected through demodulation of the detected symbol, and in the case of a soft decision, the bit-LRL information of the detected symbol is transmitted to the
도 2는 협력적 공간다중화 시스템의 블록도이다. 2 is a block diagram of a cooperative spatial multiplexing system.
도 2는 다수의 송신부에서 채널 부호화를 거친 데이터 스트림이 전송되고, 하나의 수신부에서 다수의 안테나를 이용하여 데이터 스트림을 수신하는 협력적 공간다중화 시스템의 기본 개념을 도시한 것이다. FIG. 2 illustrates a basic concept of a cooperative spatial multiplexing system in which data streams subjected to channel encoding are transmitted from a plurality of transmitters and receive data streams using a plurality of antennas in one receiver.
협력적 공간다중화 시스템에 있어서, 다수의 송신부 안테나의 총 개수가 도 1에서 설명한 공간다중화 MIMO 시스템의 송신부 안테나 수와 동일하고 수신부의 안테나 수가 동일하다면 협력적 공간다중화 시스템은 공간다중화 MIMO 시스템은 동일한 송수신 신호의 관계를 식으로 나타낼 수 있다. In the cooperative spatial multiplexing system, if the total number of transmitter antennas is the same as the number of antennas of the transmitter of the spatial multiplexing MIMO system described in FIG. 1 and the number of antennas of the receiver is the same, the cooperative spatial multiplexing system is the same. The relationship of the signal can be expressed by the equation.
다만, 협력적 공간다중화 시스템에서 각 송신부는 공간다중화기가 아닌 독립적인 변조기(200-1 내지 200-M)를 포함한다. However, in the cooperative spatial multiplexing system, each transmitter includes independent modulators 200-1 to 200-M, which are not spatial multiplexers.
송신 안테나 수가 M개, 수신 안테나 수가 N개인 공간다중화 MIMO 시스템을 가정할 때, 무선통신 채널과 송수신 신호의 관계는 다음과 같이 수학식 1로 나타낼 수 있다.Assuming a spatial multiplexed MIMO system having M transmit antennas and N receive antennas, a relationship between a wireless communication channel and a transmit / receive signal may be represented by
여기서 는 번째 송신안테나로부터 송신된 신호(심볼)를 나타내고,here Is Indicates a signal (symbol) transmitted from the first transmission antenna,
는 번째 수신 안테나에서 수신된 신호를 나타내며, Is Signal received from the first receive antenna,
는 번째 송신 안테나와 번째 수신 안테나 사이의 채널 이득을 나타낸다. Is With the first transmit antenna The channel gain between the first receiving antenna is shown.
잡음 은 환형 대칭 백색 가우시안 잡음이라고 가정한다. 송신 심볼Noise Is assumed to be an annular symmetric white Gaussian noise. Transmit symbol
는 QAM(Qadrature Amplitude Modulation) 변조된 심볼이라고 가정하고, 수신기에서는 채널 추정을 완벽하게 하여 채널 정보를 알고 있다고 가정한다. 협력적 공간다중화 시스템에서는 송신 심볼이 각기 다른 송신 안테나에서 전송된 심볼이라고 가정한다. Is assumed to be a QAM (Qadrature Amplitude Modulation) modulated symbol, and it is assumed that the receiver knows the channel information by perfecting the channel estimation. In a cooperative spatial multiplexing system, it is assumed that a transmission symbol is a symbol transmitted from different transmission antennas.
최적의 성능으로 신호를 검출하는 ML 기법은 송신 가능한 모든 송신신호 벡터 각각에 대하여 자승 유클리디언 거리를 계산하여 경판정시에는 최소값에 해당하는 송신신호 벡터를 송신 심볼로 판정한다. 연판정시에는 송신 가능한 모든 송신신호 벡터를 이용하여 생성한 자승 유클리디언 거리를 이용하여 비트 LLR을 생성하여 MAP, log-MAP, max-log-MAP 방식에 적용하여 심볼을 검출한다. ML 신호검출 기법은 아래와 같은 수학식 2로 표현할 수 있다.The ML technique for detecting signals with optimal performance calculates the squared Euclidean distance for each of the transmittable vector. For hard decision, the ML method determines the transmitted signal vector corresponding to the minimum value as the transmission symbol. In the soft decision, a bit LLR is generated using a squared Euclidean distance generated by using all transmittable signal vectors, and the symbol is detected by applying the MAP, log-MAP, and max-log-MAP methods. The ML signal detection technique can be expressed by
송수신 안테나수가 M개씩이고 C-QAM 으로 변조된 심볼을 위 수식을 이용하여 ML 신호검출을 하는 경우 개의 자승 유클리디언 거리를 연산하여야 한다. 이와 같이 ML 신호검출 기법의 연산량은 변조 차수(C)에 송신 안테나수의 지수승으로 증가하기 때문에 실제 시스템에 적용하기 힘들다.When the number of transmit / receive antennas is M and the ML signal is detected by using the above formula The squared Euclidean distance is calculated. As described above, the amount of computation of the ML signal detection technique increases with the exponential power of the number of transmit antennas in the modulation order C, making it difficult to apply to an actual system.
적은 연산량으로 구현이 가능한 선형 기법인 ZF과 MMSE 기법은 채널의 역함 수를 이용하는 방식으로 ZF 기법의 경우 잡음증폭 현상이 발생한다. MMSE 기법은 ZF 기법의 잡음증폭 현상을 고려한 방식으로 ZF 기법에 비해 성능 향상을 보인다. 그러나 최적의 성능에 비해 현저히 낮은 성능을 가지는 문제점이 있다. 이와 같은 ZF, MMSE 기법은 아래와 같은 수학식 3으로 표현할 수 있다.The ZF and MMSE techniques, which can be implemented with a small amount of computation, use the inverse function of the channel, which causes noise amplification in the ZF technique. The MMSE technique considers the noise amplification phenomenon of the ZF technique and shows a performance improvement over the ZF technique. However, there is a problem that the performance is significantly lower than the optimal performance. The ZF and MMSE techniques can be expressed by
여기서 +는 선형 가중치 행렬을 의미하고, H 는 켤레전치행렬을 나타내며,Where + stands for linear weight matrix, H stands for conjugate prefix matrix,
은 송신전력이 1일 때 잡음의 전력을 나타낸다. Denotes the power of noise when the transmit power is one.
또한 는 단위행렬을 나타낸다. ZF 기법은 잡음을 고려하지 않고 채널응답의 의사 역행렬을 구하여 간섭신호를 제거시키는 알고리즘이며, MMSE 기법은 잡음까지 고려하여 복조신호가 최대 신호대잡음비를 갖도록 하는 알고리즘이다.Also Is Represents a unit matrix. The ZF technique removes interference signals by taking the pseudo inverse of the channel response without considering the noise. The MMSE technique considers the noise to make the demodulated signal have the maximum signal-to-noise ratio.
전술한 바와 같이, MIMO 시스템에서 공간다중화된 신호의 검출을 위해 ZF 및 MMSE 기법이 사용되었으나, 이들은 비교적 간단한 구조로 구현이 가능한, 최적 신호검출 기법인 ML 기법에 비해 크게 열화된 성능을 보인다. As described above, ZF and MMSE techniques have been used for the detection of spatially multiplexed signals in MIMO systems, but they show significantly degraded performance compared to ML, which is an optimal signal detection technique that can be implemented with a relatively simple structure.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 복잡도는 높이지 않으면서 최적 신 호검출 기법과 유사한 성능을 보일 수 있는 신호검출 방법을 제안한다. According to a preferred embodiment of the present invention, a signal detection method is proposed that can exhibit similar performance to the optimal signal detection technique without increasing the complexity.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호검출 장치의 블록도이다. 3 is a block diagram of a signal detection apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 도 2와 같이 협력적 공간다중화 시스템에 포함된 신호검출 장치(신호검출기, 112)에 관한 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 신호검출 장치는 부분 선형 계수 생성부(300), 부분 심볼 제거부(302), 부분 심볼 검출부(304), 자승 유클리디언 거리 연산부(306), 비트 LLR 생성부(308) 및 최소 자승 유클리디언 선택부(310)를 포함할 수 있다. 3 is related to a signal detection device (signal detector 112) included in a cooperative spatial multiplexing system as shown in FIG. 2, and as shown in FIG. 3, the signal detection device according to the present invention includes a partial linear coefficient generator ( 300, the
하기에서는 다수의 송신부의 안테나 총 개수(M)가 4개이며, 하나의 수신부가 가진 안테나의 수(N)가 4개인 경우를 중심으로 설명한다. In the following description, the total number M of antennas of a plurality of transmitters is four, and the number N of antennas of one receiver is four.
본 발명에서, 신호검출 장치의 입력은 채널 추정에 의해 구한 채널 이득값과 각 안테나에서 수신된 스트림 데이터, 각 스트림 데이터의 변조 차수 정보이다. In the present invention, the input of the signal detection apparatus is a channel gain value obtained by channel estimation, stream data received at each antenna, and modulation order information of each stream data.
본 발명에 따른 부분 선형 계수 생성부(300)는 부분 심볼 검출부(304)에서 사용될 ZF나 MMSE 알고리즘을 이용하여 선형 계수(가중치 또는 가중치 행렬)를 미리 구하는 역할을 한다. The partial
이때, ZF 알고리즘이 이용되는 경우에는 상기한 채널 이득값, 수신 스트림 데이터 및 변조 차수 정보가 입력이 되나, MMSE 알고리즘이 이용되는 경우에는 추정된 잡음분산 값이 추가적인 입력이 된다. In this case, when the ZF algorithm is used, the channel gain value, the received stream data, and the modulation order information are input. When the MMSE algorithm is used, the estimated noise variance value is an additional input.
도 4는 본 발명에 따른 부분 선형 계수 생성부(300)의 상세 구성을 도시한 도면이다. 4 is a diagram illustrating a detailed configuration of the partial
도 4에 도시된 바와 같이, 부분 선형 계수 생성부(300)는 열행렬 제거 부(400) 및 선형 가중치 행렬 생성부(402)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 4, the partial
열행렬 제거부(400)는 상기한 수학식 1에서 정의된 채널 행렬 에서 각 열행렬을 제거한다. The column
본 발명은 M 및 N이 4이므로 채널 행렬 는 4x4 채널 행렬이 되며, 열행렬 제거부(400)는 각 열행렬을 제거하여 4개의 3x4 부분 행렬을 생성한다. In the present invention, since M and N are 4, the channel matrix Becomes a 4x4 channel matrix, and the
선형 가중치 행렬 생성부(402)는 생성된 부분 행렬 4개를 이용하여 수학식 3과 같이, ZF나 MMSE 알고리즘을 이용하여 선형 가중치 행렬을 생성한다. The linear
이는 아래와 같은 수학식 4로 표현될 수 있다.This may be represented by
ZF : ZF:
MMSE : MMSE:
상기한 수학식 4에서 생성된 선형 가중치 행렬은 부분 심볼 검출부(304)의 입력 값이 되고, 부분 심볼 검출부(304)는 송신 심볼 후보 벡터를 선형 가중치 행렬을 이용하여 검출한다. The linear weight matrix generated in
한편, 도 5는 본 발명에 따른 부분 심볼 제거부의 상세 구성을 도시한 도면이다. 5 is a diagram illustrating a detailed configuration of a partial symbol removing unit according to the present invention.
본 발명에 따른 부분 심볼 제거부(302)는 아래 수학식 5와 같이 특정 스트림 데이터의 송신 가능한 모든 심볼을 제거하는 기능을 수행한다. 즉, 부분 심볼 제거부(302)는 수신된 전체 데이터 스트림에서 각 송신 안테나의 송신 가능한 모든 심볼을 제거하여 제1 심볼 벡터를 생성한다.The partial
여기서, 는 송신 심볼의 인덱스이며 는 변조 차수의 인덱스이다.here, Is the index of the transmit symbol Is The index of the modulation order.
는 수신된 전체 데이터 스트림 중 번째 송신 안테나에서 송신 가능한 모든 심볼 중에서 Of all symbols that can be transmitted by the first transmit antenna in the entire received data stream.
번째 심볼을 제거한 심볼 벡터이다. Symbol vector with the first symbol removed.
본 발명에 따른 부분 심볼 제거부(302)는 심볼 제거 후,인 경우 개,After removing the symbol, the partial
인 경우 개, 인 경우 개, 경우 개의 제1 심볼 벡터를 출력한다. If dog, If dog, Occation Output the first symbol vector.
도 6은 본 발명에 따른 부분 심볼 검출부의 상세 구성을 도시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating a detailed configuration of a partial symbol detection unit according to the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부분 심볼 검출부는 부분 심볼 벡터 생성부(600) 및 변조 슬라이서(QAM Slicer, 602)를 포함하며, 이를 통해 송신 심볼 후보 벡터를 생성한다. As shown in FIG. 6, the partial symbol detector according to the present invention includes a partial
부분 심볼 벡터 생성부(600)는 부분 선형 계수 생성부(300)에서 ZF 또는 MMSE 알고리즘을 이용하여 생성한 선형 가중치 행렬과, 부분 심볼 제거부(302)에서 송신 가능한 심볼이 제거된 수신 신호를 곱하여 심볼 제거된 나머지 심볼, 즉 부분 심볼 벡터(제2 심볼 벡터)를 생성한다.The partial
부분 심볼 벡터 생성부(600)는 각 송신 안테나의 데이터 스트림의 변조 차수에 상응하는 변조 슬라이서를 선택한다. The partial
여기서, 제2 심볼 벡터의 검출은 하기의 수학식 6으로 표현될 수 있다.Here, the detection of the second symbol vector may be expressed by
여기서, 는 번째 송신 안테나에서 송신 가능한 심볼 를 제거한 나머지 심볼 벡터(제2 심볼 벡터)의 값이다. here, Is Transmittable at the first transmit antenna Is the value of the remaining symbol vectors (second symbol vectors).
생성된 부분 심볼 벡터의 총 개수는 각 송신 안테나의 변조 차수 크기의 합으로서, 송신 안테나의 수(M)를 4로 가정하였으므로 가 된다.Since the total number of partial symbol vectors generated is the sum of the modulation order sizes of each transmitting antenna, the number of transmitting antennas (M) is assumed to be 4. Becomes
부분 심볼 검출부(304)는 생성된 제2 심볼 벡터와 부분 심볼 제거부(302)에서 제거된 제1 심볼 벡터를 합하여 송신 심볼 후보 벡터 를 개 생성한다.The
신 심볼 후보 벡터는 아래 수학식 7과 같다.The new symbol candidate vector is shown in
도 7은 본 발명에 따른 자승 유클리디언 거리 연산부의 상세 구성을 도시한 도면이다. 7 is a diagram illustrating a detailed configuration of a square Euclidean distance calculator according to the present invention.
도 7을 참조하면, 자승 유클리디언 거리 연산부(306)는 부분 심볼 검출부(304)에서 생성한 송신 심볼 후보 벡터를 이용하여 하기의 수학식 8과 같이 자승 유클리디언 거리를 연산한다.Referring to FIG. 7, the squared
수학식 8에서 연산된 개의 자승 유클리디언 거리 는 경판정과 연판정에 모두 사용된다. Calculated in
경판정시에는 최소 자승 유클리디언 선택부(310)가 하기의 수학식 9와 같이 생성한 개의 자승 유클리디언 거리 중 가장 짧은 거리 값을 갖는 송신 심볼 후보 벡터를 송신 심볼이라 판정한다.At the time of hard decision, the least square
연판정시에는 비트 LLR 생성부(308)가 송신 심볼 후보 벡터의 모든 비트의 LLR값을 생성하여 이를 채널 복호기(116-n)로 전달한다. In the soft decision, the
본 발명에 따르면, 채널 복호기(116-n)가 비터비 복호기(Viterbi decoder)와 터보 복호기(Turbo decoder)인 것으로 가정한다. According to the present invention, it is assumed that the channel decoder 116-n is a Viterbi decoder and a turbo decoder.
LLR 생성 방법은 max-log 근사화 방식을 이용하며, 하기의 수학식 10과 같이 생성된다.The LLR generation method uses a max-log approximation method and is generated as in
수학식 10과 같이, 는 의 부분집합 을 이용하여 번째 송신 안테나의 번째 비트의 LLR을 생성한다. As in
수학식 10을 이용하는 경우 기존 QRM-MLD, sphere decoding 신호검출 기법은 모든 비트의 LLR을 생성하지 못하는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 후보 벡터의 개수를 늘리거나 상수 값을 이용하는 clipping 기법 등이 연구되었다. 후보 벡터의 개수를 늘리게 되면 연산 복잡도가 증가하고, clipping 기법의 경우 SNR이나 채널 추정 오차에 의해 정확한 clipping 상수 값을 선정하는 문제가 있다. 부정확한 상수 값을 이용할 경우 성능 열화가 크게 발생한다. 또한 기존 QRM-MLD, sphere decoding 기법은 후보 벡터에 포함되는 심볼들 간에 다양성에 큰 차이가 발생한다. 즉, 초기에 검출되는 심볼들의 경우 최종 후보 심볼 벡터에 여러 개의 송신 가능한 심볼 중 1,2개로 고정되는 현상이 발생한다. 그러므로 송신 가능한 심볼의 대부분이 최종 후보 심볼 벡터에 존재하는 마지막 검출되는 심볼과의 성능 차이가 발생한다. 이런 현상이 발생하는 신호검출 기법의 경우 상기한 도 1에서 설명한 공간다중화 방식을 사용하는 MIMO 시스템에서는 성능 열화가 심한 데이터 스트림이 전체적 시스템의 성능에 악영향을 끼친다. 또한 상기한 도 2에서 설명한 협력적 공간다중화 방식을 사용하는 다중 사용자 시스템의 경우에는 신호검출 기법에 의해 여러 사용자의 데이터 스트림간에 성능 차이를 발생하게 된다. In the case of using
도 8은 다양한 신호검출 기법의 스트림 데이터간 FER (frame error rate)를 도시한 도면이다. FIG. 8 is a diagram illustrating a frame error rate (FER) between stream data of various signal detection techniques.
도 8a는 MMSE 신호검출 기법의 성능으로 데이터 스트림간 성능 차이가 발생하지 않는다. 그러나 도 8b의 MMSE-OSIC 신호검출 기법, 도 8c의 QRM-MLD 기법은 스트림 데이터간 오류 성능의 차이가 크게 발생한다. 8A shows that performance difference between data streams does not occur due to the performance of the MMSE signal detection technique. However, in the MMSE-OSIC signal detection technique of FIG. 8B and the QRM-MLD technique of FIG. 8C, there is a large difference in error performance between stream data.
도 8d는 본 발명의 스트림 데이터간 오류 성능을 도시한 도면이다. 이를 통해 본 발명은 스트림 데이터간 오류 성능이 유사함을 알 수 있다. 8D is a diagram illustrating error performance between stream data of the present invention. Through this, it can be seen that the error performance of the present invention is similar between stream data.
본 발명은 다수의 데이터 스트림에 대해 송신 가능한 모든 심볼을 최소 한번 이상을 이용하면서, 모든 비트에 대한 LLR을 생성할 수 있다. 또한 부분 심볼 제거부(302)를 모든 데이터 스트림에 대해 한번 씩 적용하고 부분 심볼 검출부(304)를 각 데이터 스트림에 대해 적용함으로써 모든 데이터 스트림의 성능이 유사하다. The present invention can generate LLRs for every bit, using at least once every symbol that can be transmitted for multiple data streams. In addition, the performance of all data streams is similar by applying the
그러므로 기존 OSIC 신호검출 기법, QRM-MLD 기법이나 sphere decoding에서 발생하는 데이터 스트림간 오류 성능의 차이가 일어나는 문제가 발생하지 않는다. Therefore, there is no problem of difference in error performance between data streams generated by the existing OSIC signal detection technique, QRM-MLD technique, or sphere decoding.
도 9a는 비터비 복호기 (Viterbi decoder)를 이용한 경우 연판정 오류 성능 결과이며, 도 9b는 터보 복호기 (Turbo decoder)를 이용한 경우 연판정 오류 성능 결과이다. 이 결과를 통해 기존 준최적 신호검출 기법인 QRM-MLD에 비하여 성능이 향상되며 최적 성능인 ML search (max-log) 방식과 1dB 미만의 성능의 차이가 발생함을 확인할 수 있다.FIG. 9A shows a soft decision error performance result when using a Viterbi decoder, and FIG. 9B shows a soft decision error performance result when using a turbo decoder. This result shows that the performance is improved compared to the existing suboptimal signal detection technique QRM-MLD, and the difference between the optimal performance ML search (max-log) and less than 1dB occurs.
따라서 본 발명의 신호검출 기법은 공간다중화 방식의 MIMO 시스템과 협력적 공간다중화 방식을 사용하는 다중사용자 시스템에 매우 효과적으로 적용될 수 있다. 또한 공간다중화 방식의 MIMO-OFDM 시스템의 경우에도 OFDM 심볼의 subcarrier에 적용하여 효과적으로 신호를 검출 할 수 있다.Therefore, the signal detection technique of the present invention can be effectively applied to a multi-user system using a spatial multiplexing MIMO system and a cooperative spatial multiplexing method. In addition, even in the MIMO-OFDM system of the spatial multiplexing method, the signal can be effectively detected by applying to the subcarrier of the OFDM symbol.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.Preferred embodiments of the present invention described above are disclosed for purposes of illustration, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. Additions should be considered to be within the scope of the following claims.
도 1은 일반적인 MIMO 시스템의 송수신단 블록도.1 is a block diagram of a transmitting and receiving end of a general MIMO system.
도 2는 협력적 공간다중화 시스템의 블록도.2 is a block diagram of a cooperative spatial multiplexing system.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 신호검출 장치의 블록도.3 is a block diagram of a signal detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 부분 선형 계수 생성부의 상세 구성을 도시한 도면.4 is a diagram illustrating a detailed configuration of a partial linear coefficient generating unit according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 부분 심볼 제거부의 상세 구성을 도시한 도면.5 is a diagram illustrating a detailed configuration of a partial symbol removing unit according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 부분 심볼 검출부의 상세 구성을 도시한 도면.6 is a diagram showing the detailed configuration of a partial symbol detection unit according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 자승 유클리디언 거리 연산부의 상세 구성을 도시한 도면.7 is a diagram showing a detailed configuration of a square Euclidean distance calculation unit according to the present invention.
도 8은 다양한 신호검출 기법의 스트림 데이터간 FER (frame error rate)를 도시한 도면.8 illustrates frame error rate (FER) between stream data of various signal detection techniques.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연판정 신호검출의 오류 성능을 나타낸 도면.9 illustrates error performance of soft decision signal detection according to an embodiment of the present invention.
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